一種具有溫度控制的微區電阻率測量裝置的制作方法

本發明涉及半導體測量裝置技術領域，具體涉及一種具有溫度控制的微區電阻率測量裝置。

背景技術：

在各種器件設計、生產中，需要了解和掌握硅片及外延片微區電阻率分布情況。因此，微區電阻率的測試成為芯片加工之中的重要工序，為了更好地保證芯片的生產質量，保證設計的完美性和成功率，應開展各種芯片的微區電阻率分布的測試研究，以更好地服務于大規模集成電路的生產，保證最終產品的性能。

近年來有許多測微區電阻率的儀器，大多數采用四探針原理，比如參考文獻[1]中，但是四探針法存在以下幾種弊端：(1)耗時，測量點數直接制約測量時間；(2)污染硅片，因為用四探針法測量時，探針會有滑移，造成硅片表面損傷；(3)測量偏差大，當測量產生滑移的時候，就不是當前點的電阻率，再重復測量同一點，則偏差增大，即測量重復性不好；(4)由于探針頭很細，所以容易磨損。

測試環境溫度對薄層電阻電阻率的測量的影響不容忽視，一般情況下測試環境溫度升高，電阻率增大，反之，則電阻率減小。據相關報道，一般測試半導體在測試環境溫度為70℃時，電阻值僅為20℃的百分之十，可見，測試環境溫度對半導體測量是一個很大的影響因素。因為半導體的電阻率會隨著測試溫度有如此的變化過程，所以在進行微區電阻率測量時，需要控制測量時的環境溫度，盡可能使測試溫度穩定，并且測試溫度不宜過高，如果溫度過高，則會非常明顯地產生本征激發現象。目前，對微區電阻率的測量沒有對環境溫度進行精確控制，所以在測量時會產生較大誤差。現有的測量儀器大多都在室溫下進行測量，溫度的變化較大，將導致微區電阻率的測量誤差較大；另外,參考文獻[1]介紹的雖然可以進行溫度補償運算，但是測量時的溫度一直都會在變化，所以經過補償后，測量結果也存在較大誤差。

目前，對微區電阻率測量結果的表示方式有四種：(1)百分偏差圖方式；(2)直方圖方式；(3)等直線圖方式；(4)Mapping圖方式；但是以往的結果表示都是在計算機上顯示的，操作起來比較繁瑣。對于結果顯示方面，大多數采用Mapping圖方式，但是都是測量完成后對測量結果進行手繪或者專門需要用測試數據再次進行計算機繪制，如參考文獻[2]。這樣大大增加了結果顯示的繁瑣程度，因此急需一種自動將測量結果顯示出來的儀器。

[1]晏敏.智能四探針電阻率測試儀研究與開發[D].湖南：湖南大學，2005:21.

[2]李晨山.半導體材料四探針測試儀中的自動控制技術與圖像識別技術的應用[D].天津：河北工業大學，2006:36.

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本發明所要解決的技術問題是，提供一種具有溫度控制的微區電阻率測量裝置。該裝置設置溫度控制單元，提供恒溫的檢測環境，通過在單片機控制板中燒制現有的EIT(Electrical Impedance Tomography，電阻抗斷層成像)算法，通過該算法計算能將電阻率分布用Mapping圖的方式直接表示出來，能夠顯著提高半導體微區電阻率測量的精度，同時能更形象直觀地將測量結果表示出來，使用更加方便。

本發明解決所述技術問題采用的方案是，提供一種具有溫度控制的微區電阻率測量裝置，其特征在于該裝置包括溫度控制單元、電極支架、電極圓盤、電極、測試平臺、橡膠墊、單片機控制板、觸摸屏、蜂鳴器和報警燈；

所述溫度控制單元包括外腔和內腔，內腔包裹在外腔內，所述外腔為真空腔，內腔由孔板分成左右兩個部分，左部分為溫控腔，右部分為恒溫腔，溫度控制單元的右側設有密封門，溫度控制單元的外表面上設有觸摸屏、蜂鳴器和報警燈，在密封門的內表面固定單片機控制板；溫控腔的內表面上安裝有半導體制冷晶片，在恒溫腔內通過溫度傳感器支架固定安裝有溫度傳感器；所述測試平臺固定在恒溫腔內，在測試平臺的承載平面中心處設置橡膠墊；在測試平臺的正上方通過電極支架安裝電極圓盤，在電極圓盤上均勻分布若干數量的電極，電極圓盤的規格參數與待測樣片的規格相匹配，電極支架的上方通過密封圈安裝在溫度控制單元上，且電極支架能帶動電極圓盤垂直上下移動；所述單片機控制板分別與觸摸屏、溫度傳感器、半導體制冷晶片、蜂鳴器、報警燈和若干數量的電極連接。

所述單片機控制板用來采集溫度傳感器的信號，并通過觸摸屏顯示實時溫度；在觸摸屏上設置測量所需要的溫度，該所需溫度由單片機控制板讀取，通過控制相應的驅動電路驅動半導體制冷晶片調節溫度；單片機控制板內燒制有EIT算法，通過該算法計算，將測量結果直接在觸摸屏上顯示出來。

與現有技術相比，本發明的有益效果在于：

1、本發明設置溫度控制單元，保證微區電阻測量過程中避免溫度的影響，顯著提高測量精度。現有測量微區電阻率儀器中，一般直接在室溫下測量，溫度變化比較大，造成的電阻率測量結果誤差也比較大。經相關研究顯示，對于100Ω·cm的樣品，溫度變化10℃-30℃時，電阻率就變化10～20Ω·cm，因此要對溫度進行精準控制，以提高測量精確度；同時本發明可以通過觸摸屏調節恒溫腔內的溫度，可以實現針對不同的待測樣片，選擇不同的測試溫度，以測量出最好的微區電阻率分布圖，更加智能化。

2.現有技術中的直線四探針和方形四探針由于測試時需要探針在待測樣片表面滑動，會造成游移現象，且測量時需要將整塊待測樣片的表面均進行測量完成后，才能繪制Mapping圖，而每次測量探針都要進行移動、定位，測量過程非常繁瑣，且精度較低，耗時長；而本發明中的單片機控制板內燒制有EIT算法，基于該算法的測試方法是在改進的范德堡法的基礎上進行操作的，此算法選擇測量待測樣片上的一部分電阻率，剩下的根據一定的算法算出來，進行結果表示，在測量上節省了更多的時間，且測量重復性好，無游移，不會損壞待測樣片表面，并且可以計算出整片待測樣片的微區電阻率，精度高。

3、現有的微區電阻率測量裝置將待測樣片電阻率測量出來以后，手繪或者在電腦上自己繪制Mapping圖(灰度圖)，灰度圖能清晰表示微區電阻率的分布，顯示最終結果；而本發明通過單片機控制板的數據處理將采集電壓數據，自動生成Mapping圖，并直接在觸摸屏上展示，大大節省了測量者的時間，更加方便。

4、本發明測量裝置主要應用于半導體測量技術中，集測量控制于一體，基于EIT算法進行測試，不需要借助外部的電腦進行控制，可以直接在溫度控制單元的觸摸屏上直接操作、顯示，測量方便，精度高。

附圖說明

圖1本發明一種具有溫度控制的微區電阻率測量裝置一種實施例的整體結構示意圖；

圖2本發明一種具有溫度控制的微區電阻率測量裝置一種實施例的前視圖；

圖中，1溫度控制單元、2LED照明燈、3電極支架、4電極圓盤、5電極、6測試平臺、7橡膠墊、8單片機控制板、9觸摸屏、10蜂鳴器、11報警燈。

具體實施方式

下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明權利要求保護的范圍。

本發明一種具有溫度控制的微區電阻率測量裝置(簡稱裝置，參見圖1-2)包括溫度控制單元1、電極支架3、電極圓盤4、電極5、測試平臺6、橡膠墊7、單片機控制板8、觸摸屏9、蜂鳴器10和報警燈11；

所述溫度控制單元1包括外腔和內腔，內腔包裹在外腔內，所述外腔為真空腔1.7，內腔由孔板1.3分成左右兩個部分，左部分為溫控腔1.1，右部分為恒溫腔1.8，溫度控制單元的右側設有密封門1.9，溫度控制單元的外表面上設有觸摸屏9、蜂鳴器10和報警燈11，在密封門1.9的內表面固定單片機控制板8；溫控腔的內表面上安裝有半導體制冷晶片1.2，在恒溫腔1.8內通過溫度傳感器支架1.4固定安裝有溫度傳感器1.5；所述測試平臺6固定在恒溫腔1.8內，測試平臺的承載平面與恒溫腔的底部表面平行，在測試平臺6的承載平面中心處設置橡膠墊7；在測試平臺的正上方通過電極支架3安裝電極圓盤4，在電極圓盤4上均勻分布若干數量的電極5，電極圓盤的規格參數與待測樣片的規格相匹配，電極支架3的上方通過密封圈1.6安裝在溫度控制單元上，且電極支架3能帶動電極圓盤4垂直上下移動；所述單片機控制板8分別與觸摸屏9、溫度傳感器1.5、半導體制冷晶片1.2、蜂鳴器10、報警燈11和若干數量的電極5連接。

所述觸摸屏9，可以設置測量時需要的溫度、顯示實時溫度，并顯示最終測量結果。

所述單片機控制板8用來采集溫度傳感器1.5的信號，并通過觸摸屏9顯示實時溫度；在觸摸屏9上設置測量所需要的溫度，該所需溫度由單片機控制板8讀取，通過控制相應的驅動電路驅動半導體制冷晶片1.2調節溫度；單片機控制板8內燒制有EIT算法，通過該算法計算，將測量結果直接在觸摸屏9上顯示出來。

本發明的進一步特征在于在恒溫腔內還設有LED照明燈2，LED照明燈2與單片機控制板8連接，當密封門打開，LED照明燈的電路導通，單片機控制板提供電源，LED照明燈變亮。

本發明的進一步特征在于所述溫度傳感器1.5安裝在恒溫腔的右上角。

本發明的進一步特征在于所述半導體制冷晶片1.2的數量為2-4個。半導體制冷晶片的制冷效率一般不高，制熱效率很高，所以當制冷時可以使多個半導體制冷晶片同時工作，產熱時可以只讓一個或幾個工作，可以縮短調節溫度的時間。

本發明的進一步特征在于所述溫度控制單元1的后部面板為玻璃材料制成，以便進行測量時可以觀察到恒溫腔1.8的測試進程。

本發明的進一步特征在于所述電極圓盤4上的電極數量為8、16或32。

本發明的進一步特征在于所述單片機控制板采用STM32F103ZET6開發板。

本發明一種具有溫度控制的微區電阻率測量裝置的工作原理和工作流程是：

工作原理：溫度控制單元主要由真空腔1.7、恒溫腔1.8、溫控腔1.1組成。在溫控腔1.1內安裝半導體制冷晶片1.2，半導體制冷晶片1.2是一種常見的控溫元件，它的工作原理是以珀爾貼(Peltier)效應，當通以反向電流時，制冷晶片加熱，當通以正向電流時，可進行制冷；當半導體制冷晶片1.2冷熱面的溫差一定時，工作電流越大，制冷量越大；反之，工作電流越小，制冷量越小。當測量微區電阻率時，需要設置一定的溫度并保持在此溫度進行測試。由溫度傳感器1.5探測恒溫腔中的實時溫度，當恒溫腔1.8中溫度低于設置的溫度時，由單片機控制板8控制對半導體制冷晶片1.2通以反向電流，半導體制冷晶片1.2開始加熱，同時熱空氣與冷空氣在孔板處進行熱交換，直到達到設置溫度并保持。反之，當恒溫腔1.8中的溫度高于設置的溫度時，由單片機控制板將電流調節成正向電流，半導體制冷晶片1.2開始制冷，溫控腔1.1腔中的冷空氣與恒溫腔1.8中的熱空氣進行熱交換，直到達到所設置的溫度并保持。孔板1.3的作用是使氣流更加均勻，減少氣流產生的沖擊，從而使恒溫腔溫度場達到較好的均勻度。

溫度控制單元1后部面板材料為玻璃，以便進行測量時可以觀察到恒溫腔1.8的測試進程。真空腔1.7將溫控腔1.1與恒溫腔1.8與外界隔離，充分保證恒溫腔1.8工作溫度的穩定性，以減小測量誤差。將溫度傳感器1.5固定在恒溫腔1.8的右上角，以免當半導體硅片(即待測試樣片)放進或取出恒溫腔1.8時，溫度傳感器會損傷半導體硅片的表面。電極支架上3裝有電極圓盤4，在電極圓盤4上均勻的固定電極5，在非工作時間，將橡膠墊7放置在測試平臺6上，把電極圓盤4放在橡膠墊7上，將電極5與測試平臺6隔離，以減小接觸電阻。當此裝置在工作狀態時，取下橡膠墊7。同時在電極支架與溫度控制單元連接的部位設置密封圈1.6，從而提高恒溫腔1.8的密封性能。設置三種均勻放置不同數量電極(8個、16個、32個)的電極圓盤4(對于有不同數量電極的電極圓盤，重量不同，要保證電極與半導體硅片表面接觸時接觸電阻最小)，以根據尺寸不同的半導體硅片選擇不同的電極圓盤4，電極圓盤4在制作過程中，應計算出合適的重量，目的是使電極5與半導體硅片表面形成的接觸電阻最小。實施例為8個電極的電極圓盤。設置當測量電流或電壓差異太大時、溫度超過設置的上下限時或者測量過程中密封門1.9被打開時，報警燈11亮，蜂鳴器10發出叫聲。

基于EIT算法的測試原理是將相應數量的電極依次通入電流，測出另外電極的電壓，利用所測量出的電壓值，按照一定的重建算法(現有算法)，計算出半導體硅片的微區電阻率分布，從而將半導體硅片的微區電阻率分布在觸摸屏8上用灰度圖形象直觀地顯示出來，具體EIT算法參見申請人的在先專利申請(申請號：2016110274577)。

工作過程：將密封門1.9打開，恒溫箱中LED照明燈2變亮，將橡膠墊7取下，把半導體硅片放置于測試平臺6上，取相應尺寸的電極圓盤4，將電極圓盤4固定于電極支架3上，將電極圓盤4落下，使電極5接觸半導體硅片表面(電極5接觸半導體硅片外周，由于邊緣效應，不能放置在半導體硅片的外沿處)，關閉密封門1.9。啟動溫度控制單元，設置所需溫度，等待一段時間，直到恒溫腔1.8溫度達到測試溫度，在觸摸屏9中按下自動測量，隨后在觸摸屏8上觀察測試結果。若測量中出現測量電流或電壓差異太大時、溫度超過設置的上下限時或者測量過程中密封門1.9被打開時，則報警燈11亮，蜂鳴器10發出叫聲。測量完成后，將橡膠墊7放在測試平臺上，把電極支架3落下。

本發明中所涉及的“左”、“右”、“前”、“后”等方位詞是一個相對概念，以圖1中溫控腔1.1所在方向為左，以恒溫腔1.8所在方向為右。

本發明未述及之處適用于現有技術。